JPH06160800A

JPH06160800A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH06160800A
Application number: JP30693192A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Hisatake; 雄三久武; Hitoshi Hado; 仁羽藤; Yoshihiro Kinoshita; 喜宏木下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-11-17
Filing date: 1992-11-17
Publication date: 1994-06-07

Abstract

(57)【要約】【目的】出射光を完全に透過もしくは遮断することが
でき、着色のない光透過率の制御をすることができる。【構成】少なくとも一方が透明な一対の電極付き基板
間に封入されるツイスト配列をなす液晶組成物屈折率異
方性を△ｎおよびツイスト角をＡπラジアン、液晶層厚
をｄ、青、緑、赤の波長領域におけるピーク波長をそれ
ぞれλ₁、λ₂、λ₃としたとき、△ｎ・ｄ＝（ 6²−
Ａ²）^1/2・λ₁＝（ 5²−Ａ²）^1/2・λ₂＝（ 4²
−Ａ²）^1/2・λ₃、または、△ｎ・ｄ＝（ 5²−
Ａ²）^1/2・λ₁＝（ 4²−Ａ²）^1/2・λ₂＝（３²
−Ａ²）^1/2・λ₃の関係が実質的に成立する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶表示素子（以下、Ｌ
ＣＤと略称する。）に関し、とくに、白黒およびカラー
ディスプレー等に用いる表示特性の優れた液晶表示素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＬＣＤは、薄型軽量、低消費電力
という大きな利点をもつため、日本語ワードプロセッサ
やディスクトップパーソナルコンピュータ等のＯＡ機
器、投影型テレビ、小型テレビの表示装置に多用されて
おり、それと共に、表示特性の向上が強く望まれてい
る。

【０００３】従来のＬＣＤは、ネマティック液晶の捩じ
れネマティック効果を利用したツイストネマティック表
示方式（以下ＴＮ方式と略称する。）や捩れ角を大きく
したスーパーツイストネマティック表示方式（以下ＳＴ
Ｎ方式と略称する。）が主流を占めている。これらは、
電界印加に伴う液晶配列の実効的複屈折の変化を利用し
た光透過率の制御方式である。

【０００４】ここで、液晶配列のツイスト角θは、ＴＮ
方式の場合 10 〜 90 度が、ＳＴＮ方式の場合 180〜27
0 度がそれぞれ一般的である。このツイスト角θを大き
くとると、印加電圧に対する光透過率の変化率は大きく
なるが、応答速度およびコントラストは小さくなる傾向
がある。したがって、速い応答速度や高いコントラスト
が要求されるアクティブマトリックス駆動やスタティッ
ク駆動法によるＬＣＤにおいてはＴＮ方式が採用され、
単純マトリックス駆動法によるドットマトリックス表示
のＬＣＤにおいてはＳＴＮ方式が採用されている。

【０００５】上述のＴＮ方式およびＳＴＮ方式のいずれ
のＬＣＤにおいても、それらの液晶セル構成は直線偏光
を得るための偏光板、入射した直線偏光面を液晶のツイ
スト角θだけ回転させる（回転軸は光の進行方向）ため
のツイストネマティック液晶層、およびその液晶層から
出射した直線偏光を完全に遮断する（出射光の偏光面と
出射側偏光板の偏光方向とを垂直に配置）、あるいは完
全に透過させる（出射光の偏光面と出射側偏光板の偏光
方向とを平行に配置）ための偏光板の 3者からなる基本
構成をとる。

【０００６】そして、入射側偏光板と出射側偏光板の吸
収軸を互いに平行に配置し、液晶セルに電圧を印加しな
いとき光が透過せず、電圧を印加したとき光が透過する
ノーマリークローズ方式と、入射側偏光板と出射側偏光
板の吸収軸を互いに直交するように配置し、液晶セルに
電圧を印加しないとき光が透過し、電圧を印加したとき
光が遮断されるノーマリーオープン方式との２方式があ
る。

【０００７】ノーマリーオープン方式は、ノーマリーク
ローズ方式よりコントラスト比の視角依存性が大きい
が、電圧を印加しないときの黒表示において波長依存性
がないという特徴を有する。一方、ノーマリークローズ
方式は、ノーマリーオープン方式より、視角依存性が優
れているという特徴を有するが、電圧印加したときの白
表示において波長依存性があるという問題点がある。

【０００８】このような基本構成において、液晶層を通
過した出射光が完全な直線偏光となるのは、グッチおよ
びタリー（J.Phys.D.Appl.Phys.,vol.8,1975.p1575-158
4 ）によれば、（１）式の条件を満たす場合だけであ
る。

【０００９】 △ｎ・ｄ／λ＝（ｍ²−（θ²／π²））^1/2 ………………（１）ここで、△ｎは液晶の屈折率異方性、ｄは液晶層の厚
さ、λは光の波長、ｍはθ／πの値より大きい整数であ
る。一般には出射光は旋光性を帯びた楕円偏光となって
いる。このような旋光分散効果は、△ｎ・ｄの値がλの
値に比べて十分大きい場合には無視できる程度に小さい
が、△ｎ・ｄの値が実現可能な範囲（＜3.5 μm ）にお
いては極めて大きい。また、あるλの値において（１）
式の条件を満たしても、可視光領域全域において（１）
式の条件を満たす解は△ｎ・ｄの値が実現可能な範囲に
は存在しないので、表示画面が着色するといった問題が
生じる。

【００１０】これらの問題を解決する手段として、カラ
ーフィルターを用い、各画素の入射光の波長を限定した
ＬＣＤにおいてその各画素毎のｄを、その画素の入射光
の波長に応じて、ｄ／λ＝一定、かつ（１）式の条件を
満たすように設定することが提案されている（S.Nagata
et al :1985 SID DIGEST PP387-390,May 1985）。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ｄ／λ
＝一定、かつ（１）式の条件を満たすようにＬＣＤを設
定することは、各画素間でｄの値を変化させなければな
らず、高精細パターンの作製が困難であり、また製造コ
ストも上昇するという問題がある。さらに、白黒の表示
モードには応用できないという問題がある。

【００１２】また、従来の液晶表示装置では出射光が着
色したり、液晶層を出射した光が旋光性を帯びた楕円偏
光となるため、出射側偏光板において出射光を完全に透
過するもしくは遮断することができないなどの問題があ
る。

【００１３】本発明のＬＣＤは、このような問題に対処
するためになされたもので、出射光を完全に透過もしく
は遮断することができ、着色のない光透過率の制御をす
ることのできる表示特性の優れたＬＣＤを提供すること
を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明のＬＣＤは、少な
くとも一方が透明な一対の電極付き基板を平行配置し、
これら基板間にツイスト配列をなす液晶組成物を封入し
てなる液晶層と、この液晶層に青、緑、赤色の領域にそ
れぞれピーク波長を有する光を透過してなるＬＣＤにお
いて、液晶組成物の屈折率異方性を△ｎおよびツイスト
角をＡπラジアン、液晶層厚をｄ、青、緑、赤の波長領
域における前記ピーク波長をそれぞれλ₁、λ₂、λ₃
としたとき、 △ｎ・ｄ＝（ 6²−Ａ²）^1/2・λ₁＝（ 5²−Ａ²）
^1/2・λ₂＝（ 4²−Ａ²）^1/2・λ₃ または、 △ｎ・ｄ＝（ 5²−Ａ²）^1/2・λ₁＝（ 4²−Ａ²）
^1/2・λ₂＝（３²−Ａ²）^1/2・λ₃ の関係が実質的に成立する△ｎ・ｄ、λ₁、λ₂、λ₃
の値を有することを特徴とする。

【００１５】本発明のＬＣＤにおいて上式の関係を満足
させるための手段としては、液晶セルの△ｎ・ｄの値と
λ₁、λ₂、λ₃のピーク波長値が上式の関係を満足す
るような光源を用いる、カラーフィルターを用いる、ま
たはこれらの手段を併用する方法がある。

【００１６】λ₁、λ₂、λ₃のピーク波長を有する光
源としては、液晶セルのバックライトに 3波長管を使用
することにより容易に得られる。また、カラーフィルタ
ーについても公知の種々のものを使用することができ
る。

【００１７】以下、上式の誘導について説明する。

【００１８】ツイスト配列をなすＬＣＤにおける電圧無
印加時の光の透過率Ｔ（ノーマリクローズ方式の場
合）、もしくは吸収率Ｔ（ノーマリーオープン方式の場
合）は、前述のグッチおよびタリーによれば、ｕ＝△ｎ
・ｄ・π／（θ・λ）として、Ｔ＝ｓｉｎ²｛θ（ 1＋ｕ²）^1/2｝／（ 1＋ｕ²）……………（２）で表される。

【００１９】（２）式において、Ｔ＝0 となるのは前述
の（１）式が満たされる場合のみである。一般に、
（１）式を満たす解をｍの値 1, 2, 3・・・の小さい順
に、 1st.min.、 2nd. min.、 3rd. min.、・・・と呼
んでいる。

【００２０】90 度ツイストセルにおいて、 1st. min.
条件で（１）式を満たす解を考えると、△ｎ・ｄ／λ＝
（ｍ²−（θ²／π²））^1/2＝（ 1-1/4）^1/2＝0.86
6 …（３）となる。

【００２１】したがって、（１）式を満たすためには、
入射光が単波長であるか、またはカラーフィルターを用
い、各画素の入射光の波長を限定したＬＣＤにおいてそ
の各画素毎のｄを、その画素の入射光の波長に応じて、
ｄ／λ＝一定でかつ（３）式を満たすようにｄを画素毎
に変えなければならない。

【００２２】しかしながら、ｄを一定としても、入射光
をカラーフィルター、または 3つのピーク波長からなる
光とした場合に、（１）式のｍの値が 3つのピーク波長
λ₁、λ₂、λ₃に対して整数となるようにすれば
（１）式は成立する。

【００２３】したがって、 △ｎ・ｄ＝（ｍ₁ ²−（θ²／π²））^1/2・λ₁ ＝（ｍ₂ ²−（θ²／π²））^1/2・λ₂ ＝（ｍ₃ ²−（θ²／π²））^1/2・λ₃ となればよい。

【００２４】一般的に、青、緑、赤の色を示す波長をそ
れぞれλ₁、λ₂、λ₃とすれば、λ₁＝ 400〜460 n
m、λ₂＝ 500〜560 nm、λ₃＝ 600〜660 nmの範囲に
ある。また、△ｎ・ｄの値は、ＬＣＤの応答速度や視覚
依存性、△ｎの実在性を考えると、およそ 3.0μm 以下
とすることが望ましく、この範囲において解を見出だす
と、ｍ₁、ｍ₂、ｍ₃の取り得る値は、（ｍ₁、ｍ₂、
ｍ₃）＝（ 6、 5、 4）または（ 5、 4、 3）となる。

【００２５】したがって、θ＝Ａπとすれば、 △ｎ・ｄ＝（ 6²−Ａ²）^1/2・λ₁＝（ 5²−Ａ²）
^1/2・λ₂＝（ 4²−Ａ²）^1/2・λ₃ または、 △ｎ・ｄ＝（ 5²−Ａ²）^1/2・λ₁＝（ 4²−Ａ²）
^1/2・λ₂＝（３²−Ａ²）^1/2・λ₃ の関係が実質的に成立するように、△ｎ・ｄ、λ₁、λ
₂、λ₃を設定すれば、△ｎやｄを一定としても（１）
式は満足されＴ＝0 となる。

【００２６】ここで、上式の関係が実質的に成立すると
は、（１）式を満足してＴ＝0 となる上式の値を、それ
ぞれ △ｎ・ｄ＝（ 6²−Ａ²）^1/2・λ₁＝（ 5²−Ａ²）
^1/2・λ₂＝（ 4²−Ａ²）^1/2・λ₃＝Ｘまたは、 △ｎ・ｄ＝（ 5²−Ａ²）^1/2・λ₁＝（ 4²−Ａ²）
^1/2・λ₂＝（３²−Ａ²）^1/2・λ₃＝Ｙとすれば、 0.9・Ｘ≦△ｎ・ｄ≦ 1.1・Ｘ、 0.9・Ｘ≦
λ₁≦ 1.1・Ｘ、 0.9・Ｘ≦λ₂≦ 1.1・Ｘ、 0.9・Ｘ
≦λ₃≦ 1.1・Ｘの関係にあるか、または、 0.9・Ｙ≦
△ｎ・ｄ≦ 1.1・Ｙ、 0.9・Ｙ≦λ₁≦ 1.1・Ｙ、 0.9
・Ｙ≦λ₂≦ 1.1・Ｙ、 0.9・Ｙ≦λ₃≦ 1.1・Ｙの関
係にあることをいう。

【００２７】これらの関係にあれば、ＬＣＤの出射側偏
光板において出射光をほぼ完全に透過もしくは遮断する
ことが可能となる。

【００２８】なお、本発明のＬＣＤに使用できるネマテ
ィック液晶物質には、ネマティック相を呈する化合物が
使用できとくに制限がない。たとえば、シアノビフェニ
ル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル
類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シ
アノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピ
リミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フ
ェニルジオキサン類、トラン系液晶類、アルケニルシク
ロヘキシルベンゾニトリル類等が例示される。一般的に
はこれらの化合物は、混合物として使用され、さらにカ
イラル剤などが添加される。

【００２９】これらのネマティック液晶を用いた場合の
ＬＣＤの△ｎ・ｄの値は、液晶層の厚さｄが厚くなり過
ぎると表示の応答速度が遅くなるため、およそ 3.0μm
以下とすることが望ましい。

【００３０】また、本発明のＬＣＤは、液晶配列のツイ
スト角θが 90 度以下のＴＮ方式や、ツイスト角θが 1
80度以上のＳＴＮ方式にも適用できる。

【００３１】さらに、本発明のＬＣＤは、電圧印加した
ときの白表示において波長依存性があるノーマリークロ
ーズ方式に適用するのがとくに好ましい。

【００３２】本発明のＬＣＤは、少なくとも一方が透明
な基板上に、単純マトリックス、アクティブマトリック
ス駆動法等に応じた電極および必要に応じてカラーフィ
ルターを配設し、その上に配向膜を形成してなる一対の
基板を、配向膜を対向させて配置し周囲をシールした
後、液晶組成物を封入する。その後、一対の基板の両外
側に偏光板を配設し、必要に応じて光学遅延板を偏光板
と基板との間に配設しバックライトを備えて作製され
る。

【００３３】

【作用】ＬＣＤの各因子の設計値が △ｎ・ｄ＝（ 6²−Ａ²）^1/2・λ₁＝（ 5²−Ａ²）
^1/2・λ₂＝（ 4²−Ａ²）^1/2・λ₃ または、 △ｎ・ｄ＝（ 5²−Ａ²）^1/2・λ₁＝（ 4²−Ａ²）
^1/2・λ₂＝（３²−Ａ²）^1/2・λ₃ の関係を実質的に満足するように設定すると、電圧無印
加時において、ノーマリクローズ方式では光の透過率Ｔ
が、ノーマリーオープン方式では光の吸収率Ｔがほぼ 0
となる。

【００３４】したがって、出射光が着色したり、また旋
光性を帯びた楕円偏光により、出射側偏光板における出
射光の透過または遮断することが困難になる等の問題が
生じない。

【００３５】

【実施例】以下、本発明のＬＣＤを実施例に基づき詳述
する。実施例１ △ｎが 0.22 のネマティック液晶を用い、 90 度ツイス
トのノーマリクローズ方式のＴＮ−ＬＣＤを液晶層厚ｄ
＝ 12 μm で作製した。

【００３６】この構成のＬＣＤにおける透過率の入射光
波長依存性を（２）式により計算した結果を図２に示
す。図２によると、実施例１の構成のＬＣＤには、光の
3原色である青、緑、赤色の 3つの波長域に透過率が 0
となる条件が存在する。これらの波長は、λ₁＝ 442n
m、λ₂＝ 531nm、λ₃＝ 665nmである。これらの値を
もとに各数値を計算すると、 △ｎ・ｄ＝0.22× 12 ＝2.64μm （ 6²−Ａ²）^1/2・λ₁＝（ 6²− 1／4 ）^1/2×0.442 ＝2.643 μm （ 5²−Ａ²）^1/2・λ₂＝（ 5²− 1／4 ）^1/2×0.531 ＝2.642 μm （ 4²−Ａ²）^1/2・λ₃＝（ 4²− 1／4 ）^1/2×0.665 ＝2.639 μm となり、実質的に等しくなる。

【００３７】また、実施例１の構成のＬＣＤにおいて、
上述の 3波長に対する透過率の液晶層厚ｄ依存性を
（２）式により計算した結果を図１に示す。ｄ＝12μm
で 3波長に対する透過率が 0になることがわかる。

【００３８】よって、液晶セルの光源として 442nm、 5
31nm、 665nmにピーク波長を持つ 3波長管を用いてＬＣ
Ｄを作製したところ、電圧無印加時には、透過率がほぼ
0の黒色の表示、電圧印加時には、透過率が入射光の光
量に対して 40 ％程度の白色の表示が得られ、良好な白
黒表示が得られた。

【００３９】比較例１ △ｎが 0.13 のネマティック液晶を用い、液晶層厚ｄ＝
9μm とする以外は実施例１と同一の条件で 90 度ツイ
ストのノーマリクローズ方式のＴＮ−ＬＣＤを作製し
た。

【００４０】実施例１と同様に比較例１の透過率の入射
光波長依存性を（２）式により計算した結果を図３に示
す。透過率が 0になる波長は、可視光領域には 1つしか
存在しないため、いかなる光源を用いても白もしくは黒
の表示に着色が生じ、良好な白黒表示は得られなかっ
た。

【００４１】実施例２実施例１と同一のセル構成に、透過光のピーク波長がλ
₁＝ 442nm、λ₂＝ 531nm、λ₃＝ 665nmからなる青、
緑、赤色のカラーフィルターを配設してＬＣＤを作製し
た。液晶層厚が一定でありながら青、緑、赤色のいずれ
の画素においても電圧無印加時の透過率はほぼ 0であっ
た。また、電圧印加時には、青、緑、赤色それぞれの透
過光が得られ、良好なカラー表示が得られた。

【００４２】

【発明の効果】本発明の液晶表示素子は、ツイスト配列
をなす液晶組成物の屈折率異方性（△ｎ）およびツイス
ト角（Ａπラジアン）、液晶層厚（ｄ）ならびに青、
緑、赤の波長領域におけるピーク波長（λ₁、λ₂、λ
₃）の関係を △ｎ・ｄ＝（ 6²−Ａ²）^1/2・λ₁＝（ 5²−Ａ²）
^1/2・λ₂＝（ 4²−Ａ²）^1/2・λ₃ または、 △ｎ・ｄ＝（ 5²−Ａ²）^1/2・λ₁＝（ 4²−Ａ²）
^1/2・λ₂＝（３²−Ａ²）^1/2・λ₃ の関係が実質的に成立するように△ｎ・ｄ、λ₁、
λ₂、λ₃の値を設定したので、液晶層厚が一定であっ
ても、出射側偏光板において、出射光をほぼ完全に透過
もしくは遮断し、着色のない光透過率の制御をすること
ができる。したがって、良好な白黒表示およびカラー表
示が得られるＬＣＤを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】△ｎが 0.22 のときの 3波長に対する透過率の
液晶層厚ｄ依存性を示す図である。

【図２】実施例１の透過率の入射光波長依存性を示す図
である。

【図３】比較例１の透過率の入射光波長依存性を示す図
である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方が透明な一対の電極付き
基板を平行配置し、これら基板間にツイスト配列をなす
液晶組成物を封入してなる液晶層と、この液晶層に青、
緑、赤の波長領域にそれぞれピーク波長を有する光を透
過してなる液晶表示素子において、前記液晶組成物の屈
折率異方性を△ｎおよびツイスト角をＡπラジアン、前
記液晶層厚をｄ、青、緑、赤色の領域における前記ピー
ク波長をそれぞれλ₁、λ₂、λ₃としたとき、 △ｎ・ｄ＝（ 6²−Ａ²）^1/2・λ₁＝（ 5²−Ａ²）
^1/2・λ₂＝（ 4²−Ａ²）^1/2・λ₃ または、 △ｎ・ｄ＝（ 5²−Ａ²）^1/2・λ₁＝（ 4²−Ａ²）
^1/2・λ₂＝（３²−Ａ²）^1/2・λ₃ の関係が実質的に成立する△ｎ・ｄ、λ₁、λ₂、λ₃
の値を有することを特徴とする液晶表示素子。